打印头、三维打印机及三维打印方法与流程

本发明涉及一种用于快速成型的挤出装置、该挤出装置构建的快速成型设备及能够采用该快速成型设备进行成型的成型方法，具体地说，涉及一种用于熔融挤压成型的打印头、该打印头构建的三维打印机及可采用该三维打印机进行打印三维物体的方法。

背景技术：
三维打印机，是一种基于三维物体的数字模型，利用塑料、液态光固化树脂、粉末状金属等材料，通过逐层打印的方式构造三维物体的设备。公告号为CN1216726C的专利文献的背景技术中描述了一种以细丝的形式向打印头供给成型材料的三维打印机，参见图1，三维打印机01具有打印头011、供料装置012、导管013及载物台014；供料装置012具有一个缠绕有成型丝0123的供料盘0121；打印头011具有由电机0115驱动的一对送料滚轮0113与0114，液化器0111及设于液化器0111下端的打印喷嘴0112。供料盘0121被安装于三维打印机01的供料盘安装架的转轴0122上，从而将成型丝0123提供给打印头011。在使用过程中，将成型丝0123从供料盘0121上拉出，使被拉直的成型丝通过由摩擦阻力较小的材料制成的导管013，直至将成型丝供给到送料滚轮0113及0114，由电动机0115驱动的送料滚轮0113及0114推动成型丝进入液化器0111以产生一个所谓“液化器泵效应”，即成型丝本身相当于一个活塞，进入液化器0111内的成型丝挤压熔融状态的成型材料，使之按一定的体积速率从打印喷嘴0112的挤出喷口挤出并沉积于载物台014的载物面上。三维打印机01的控制单元通过控制打印头011在水平的X-Y平面内移动，同时控制载物台014沿垂向的Z轴移动，从而逐层地打印出三维物体。由于该三维打印机只设单个打印喷嘴，其打印喷嘴挤出的丝状熔融状态成型材料的直径可选范围有限，在打印不同精度要求的三维物体或三维物体中不同精度要求的部分时，难以根据精度要求进行选择合适且打印效率高的丝状熔融状态成型材料，无法进一步提高三维打印机的打印效率。公布号为CN104044271A的专利文献公布了一种双打印头机构的三维打印机，其中两个并排的打印头具有加热块及不同口径的打印喷嘴，根据打印精度需求将其中一个打印头切换成工作位置。该三维打印机由于设置具有不同有效孔径的打印喷嘴，可根据打印速度及精度的要求进行选择使用不同有效孔径的打印喷嘴，在满足打印精度要求的条件下，提高打印效率。但是，打印喷嘴在从工作状态切入待机状态后，通常会出现“溢胶”现象，即在送料滚轮的送料惯性及打印头在变速移动过程中震动的作用下，该打印喷嘴内的熔融状态成型材料会继续从打印喷嘴中挤出，滴落于三维物体的打印面上，降低三维物体的打印精度。

技术实现要素：
本发明的主要目的是提供一种三维打印机用打印头，旨在便于提高三维打印机的打印效率；本发明的另一目的是提供以上述打印头构建的三维打印机；本发明的再一目的是提供一种可采用上述三维打印机进行打印三维物体的方法。为了实现上述主要目的，本发明提供的三维打印机用打印头包括液化器及调整单元，调整单元包括调整盘，调整盘的盘面的法线沿垂向布置，调整盘的上盘面紧贴液化器的出口端的端面地设于液化器下方，调整盘相对液化器可绕垂向轴旋转；液化器的出口端端壁与调整盘中的一个上设有一个第一挤出孔，另一个上设有两个以上的第二挤出孔；每个第二挤出孔的有效孔径各不相同，且小于等于第一挤出孔的有效孔径；通过调整盘相对液化器绕垂向轴的旋转，第一挤出孔有选择地与其中一个第二挤出孔对接；与设于出口端端壁上的挤出孔对接的设于调整盘上的挤出孔的出料口构成打印头的挤出喷口。由以上方案可见，通过调整盘相对液化器绕垂向轴的旋转，实现第一挤出孔与其中一个第二挤出孔对接组合构成处于工作状态的挤出孔，即对有效孔径进行组合，从而可对处于工作状态的挤出孔的有效孔径进行选择，提供更多的选择范围，提高三维打印机的打印效率；由于只有一个加热熔融腔，其在完成挤出孔的有效孔径调整后，不会因为送料滚轮等送料机构的送料惯性而出现“溢胶”现象。此外，由于采用设于调整盘上的挤出孔替代现有长圆柱状的打印喷嘴，可简化打印头的结构。一个具体的方案为出口端端壁为一定位盘，定位盘的中心处形成有中心轴孔，第一挤出孔位于定位盘上偏离中心轴孔处；调整单元还包括传动轴及调整电机，调整电机的转子轴与传动轴传动连接，传动轴的下端穿过中心轴孔并与调整盘固定连接；传动轴设于液化器外；第二挤出孔环绕传动轴的轴线布置地设在调整盘上。更具体的方案为定位盘与调整盘均为圆形；调整单元还包括环形固定座及弹性密封圈，环形固定座的内腔的下端上设有第一内肩台；环形固定座与定位盘固定连接，第一内肩台的内孔与调整盘间隙配合；弹性密封圈的上表面抵压在定位盘的下表面上，下表面抵压在第一内肩台的上表面上；弹性密封圈紧箍于调整盘的周向上；环形固定座的下表面与定位盘的下表面间的间距小于等于调整盘的下表面与定位盘的下表面间的间距。提高调整盘与定位盘之间的密封性，有效防止熔融状态的成型材料从二者间的间隙中渗漏而滴落于三维物体的打印面上，影响打印精度。优选的方案为液化器包括加热熔融腔及用于连通加热熔融腔与第一挤出孔的输料管。可有效地减小打印头位于安装座下部分的横向尺寸，便于进行打印。另一具体的方案为调整单元还包括与调整盘固定连接的圆筒；液化器为一与圆筒共轴布置的桶状结构，圆筒与液化器间隙配合地套于液化器外；第二挤出孔环绕圆筒的轴线布置地设在出口端端壁上。由于调整盘上只有一个挤出孔，该挤出孔在打印过程中一直处于工作状态，不会出现在打印过程中出现成型材料冷却凝固而堵塞第一挤出孔，分布于出口端端壁上的多个第二挤出孔一直与加热熔融腔处于连通状态，可保持残留其内的成型材料为熔融状态，在调整过程中，无需中断打印过程进行加热疏通，可连续进行打印，提高挤出孔有效孔径的调整效率，提高整个三维打印过程的效率。一个更具体的方案为圆筒的下端口与调整盘间为密封固定连接。有效地防止熔融状态的成型材料从调整盘与出口端端壁间渗出滴落在三维物体的打印面上，影响打印精度。另一个更具体的方案为液化器的加热腔为一倒T字型结构，加热腔的上端为成型丝的进口。优选的方案为调整盘的厚度为0.1毫米至0.5毫米。由于调整盘厚度薄，可减少停止打印后残留其挤出孔内的成型材料，甚至无残留，减少在启动打印过程中的加热疏通时间，提高三维打印机的启动速度。为了实现本发明另一目的，本发明提供的三维打印机包括机架及安装在机架上的打印头、载物台及控制单元；打印头受控制单元控制地相对载物台可作三维空间移动；打印头包括液化器及调整单元，调整单元包括调整盘，调整盘的盘面的法线沿垂向布置，调整盘的上盘面紧贴液化器的出口端的端面地设于液化器下方，调整盘相对液化器可绕垂向轴旋转；液化器的出口端端壁与调整盘中的一个上设有一个第一挤出孔，另一个上设有两个以上的第二挤出孔；每个第二挤出孔的有效孔径各不相同，且小于等于第一挤出孔的有效孔径；通过调整盘相对液化器绕垂向轴的旋转，第一挤出孔有选择地与其中一个第二挤出孔对接；与设于出口端端壁上的挤出孔对接的设于调整盘上的挤出孔的出料口构成打印头的挤出喷口。为了实现本发明再一目的，本发明提供一种使用三维打印机进行打印三维物体的方法，该三维打印机包括机架及安装在该机架上的打印头、载物台及控制单元；打印头受控制单元控制地相对载物台可作三维空间移动；打印头可挤出两种以上不同直径的丝状熔融状态成型材料；在打印三维物体的过程中，选择直径与三维物体的不同部分的打印精度相适应的丝状熔融状态成型材料进行打印该部分三维物体；对位于与载物台的载物面相距等高的第一打印部分与第二打印部分，第一打印部分的每层打印层的厚度为d1，第二打印部分的每层打印层的厚度为d2；其中,d2=2×d1；当第一打印部分的打印层的上表面与第二打印部分的打印层的上表面共平面时，打印头的挤出喷口与该两个打印层的上表面之间的垂向间距相等；在打印该两个打印层过程中，打印头的挤出喷口与第一打印部分各打印层的打印面之间的垂向间距与d1的比值为2至2.5；打印头的挤出喷口与第二打印部分各打印层的打印面之间的垂向间距与d2的比值为1.5至1.75。附图说明图1是一种现有三维打印机的结构示意图；图2是本发明三维打印机第一实施例的立体图；图3是本发明打印头第一实施例略去基体的结构示意图；图4是本发明打印头第一实施例中液化器的结构示意图；图5是本发明打印头第一实施例略去基体、送料电机及送料滚轮的结构分解图；图6是本发明三维打印方法第一实施例所打印三维物体的第一部分与第二部分的示意图；图7是本发明三维打印方法第一实施例进行打印三维物体的第一状态示意图；图8是本发明三维打印方法第一实施例进行打印三维物体的第二状态示意图；图9是本发明三维打印方法第一实施例进行打印三维物体的第三状态示意图；图10是本发明三维打印方法第一实施例进行打印三维物体的第四状态示意图；图11是本发明打印头第二实施例略去基体、送料电机、送料滚轮的结构分解图；图12是本发明打印头第三实施例略去基体的结构示意图；图13是本发明打印头第四实施例略去基体及调整电机的结构示意图；图14是本发明打印头第四实施例略去基体及调整电机的结构剖视图；图15是本发明打印头第四实施例中液化器的结构示意图；图16是本发明打印头第四实施例中调整盘与圆筒的结构示意图；图17是本发明打印头第五实施例略去基体及调整电机的结构剖视图。以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。具体实施方式本发明主要是对三维打印机的打印头结构进行改进，以提高该三维打印机的打印效率及打印精度，三维打印机的其他部分结构根据现有产品进行设计。打印头、三维打印机及其打印方法第一实施例参见图2，三维打印机1由机架10及安装于机架10上的打印头11、供料装置、软管13、载物台14、行走机构及控制单元构成。行走机构具有沿X轴方向平行布置的第一对导轨151，沿Y轴方向平行布置的第二对导轨152及安装座153；第二对导轨152两端安装在第一对导轨151上并可沿其移动，打印头11通过安装座153安装在第二对导轨152上，控制单元控制行走机构上的驱动装置驱动安装座153沿第二导轨152移动及驱动第二导轨152沿第一导轨151移动，从而带动打印头11在水平的X-Y平面内移动，同时控制载物台14沿垂直的Z轴移动，即控制打印头11相对载物台14作三维空间移动。供料装置供给的成型丝穿过软管13，在打印头11的送料滚轮带动下进入液化器的加热熔融腔内受热熔融成熔融状态成型材料。参见图3，打印头11由基体及安装在基体上的送料电机1121、送料滚轮1122、送料滚轮1123、液化器111、调整电机113、调整盘114及传动轴115构成。打印头11通过基体固定在安装座153上。送料滚轮1122与送料滚轮1123由送料电机1121驱动。传动轴115的上部可绕其轴线旋转地安装在基体上，即传动轴115相对基体沿轴向不可移动；调整电机113具有与其转子轴同轴地固定连接的齿轮1131，传动轴115上沿周向形成有一圈与齿轮1131相啮合的轮齿；液化器111的出口端端壁为定位盘116，定位盘116的中心处形成有一中心轴孔1161，传动轴115的前端穿过中心轴孔1161后与调整盘114共轴地固定连接，定位盘116上偏离中心轴孔1161的位置处形成有一第一挤出孔，该第一挤出孔构成液化器111的出料孔。在打印三维物体的过程中，由供料装置供给的成型丝0123经送料滚轮1122与1123的挤送进入液化器111的加热熔融腔内被加热至呈熔融状态。调整盘114的上表面与定位盘116的下表面紧贴地设于定位盘116的下方。参见图4及图5，调整盘114上环绕其轴线方向上布置有第二挤出孔1141、1142、1143、1144及1145，该五个第二挤出孔的有效孔径均不相同且小于等于第一挤出孔1162的有效孔径。调整电机113通过齿轮1131驱动传动轴115进而带动调整盘114绕其轴线旋转，从而实现第一挤出孔1162的出料口有选择地与其中一个第二挤出孔的进料口相对接。在打印三维物体的过程中，熔融状态的成型材料从与第一挤出孔1162相对接的第二挤出口的出料口挤出至载物台14的载物面上，逐层地打印出三维物体。参见图2至图5，在采用三维打印机1进行打印三维物体的过程中，选择与三维物体中不同部分的打印精度相适应的第二挤出孔进行打印该部分三维物体，直至完成整个三维物体的打印。对于精度要求不高的三维物体，可采用有效孔径比较大的第二挤出孔1141、1142及1143进行打印，对于精度要求高的三维物体，可采用有效孔径比较小的第二挤出孔1145、1144及1143进行打印。在打印三维物体的过程中，三维打印机在打印三维物体的高精度要求的部分时，如三维物体的外表面，调整盘114上的较小有效孔径的第二挤出孔，如第二挤出孔1145，与第一挤出孔1162对接，使熔融状态的成型材料从较小有效孔径的第二挤出孔的出料口挤出，实现高精度要求的打印；三维打印机在打印三维物体的低精度要求部分时，如填充部分，调整盘114上的较大有效孔径的第二挤出孔，如第二挤出孔1141，与第一挤出孔1162对接，使熔融状态成型材料从第二挤出孔的出料口挤出，相同时间内，较大有效孔径的第二挤出孔挤出的成型材料的量比较小有效孔径的第二挤出孔挤出的成型材料的量多，在打印低精度部分时可以节约更多的打印时间，提高打印效率。参见图6，三维物体02由外表面层部分及填充部分构成，对应为第一打印部分021与第二打印部分022，为了满足相应的打印精度要求及提高打印效率，采用有效孔径较小的第二挤出孔进行打印第一打印部分，即每层打印层的厚度较薄；采用有效孔径较大的第二挤出孔进行打印第二打印部分，即每层打印层的厚度较厚。参见图7至图10，第一打印部分021采用层厚为d1的打印层进行打印，第二打印部分022采用层厚为d2的打印层进行打印，d2=n×d1，其中n≥2，且n为整数，在本例中n的取值为2。如图7所示先采用有效孔径较小的第二挤出孔1144进行打印第一打印部分021的打印层0211，如图8所示接着采用第二挤出孔1144打印第一打印部分021的另一层打印层0212，如图9所示接着采用第二挤出孔1142打印第二打印部分022的一层打印层0221，如10所示最后采用第二挤出孔1144打印第一打印分部021的打印层0213及0214构成三维物体上表面的外表面层。由于d2=2×d1，所以先打印两层第一打印部分021的打印层，接着打印一层第二打印部分022的打印层，构成一个打印周期，每经一个打印周期后，三维物体的最上面的打印面为一平面，便于后续打印层以该打印面为参考面进行打印，提高三维物体的打印精度。在打印每层切片层时，如果打印头的挤出喷口与该打印层所参考的打印面之间的垂向间距与该打印层的层厚的比值为1.5至2.5时，可以取得较好的打印效果，因为在此比例范围内，挤出喷口对挤出的丝状熔融状态成型材料不会产生挤压且便于控制成型材料的沉积路径，从而能够形成良好的打印层，提高三维物体的打印精度，如图7所示，打印头11下端口，即挤出喷口与打印层0211的打印面之间的间距为H1，打印层0211的层厚为d1，当H1与d1的关系为H1=m×d1，当m的取值为1.5至2.5时，可以取得良好的打印效果。参见图9，当打印头11打印完第一打印部分021的打印层0212后，打印头11以相距载物台14的载物面141相同的垂向间距进行打印第二打印部分022的打印层0221，则无需对打印头11与载物面141之间的垂向间距进行调整，不仅可以提高打印效率，而且可以提高打印精度。在此中情况下，H1、H2、d1及d2的关系满足以下各式：H2=H1+d1；d2=2×d1；H1=m1×d1，1.5≤m1≤2.5；H2=m2×d2，1.5≤m2≤2.5；即，2×m2×d1=m1×d1+d1；可得，2×m2=m1+1，且1.5≤m1≤2.5，1.5≤m2≤2.5；所以当m1与m2的取值为2≤m1≤2.5，1.5≤m2≤1.75时，每取一个m1值，均有一个m2值与其相匹配，使打印头11在打印打印层0212及打印层0221过程中，打印头11的挤出喷口与载物面141之间的垂向间距相等。以此类推，当d2=n×d1，其中n≥2，且n为整数时，H1、H2、d1及d2的关系如下：H2=H1+（n-1）d1；d2=n×d1,n≥2且为整数；H1=m1×d1，1.5≤m1≤2.5；H2=m2×d2，1.5≤m2≤2.5；即，n×m2×d1=m1×d1+(n-1)×d1；可得，(m2-1)×n=m1-1，1.5≤m1≤2.5，1.5≤m2≤2.5；所以当m1与m2的取值为0.5n+1≤m1≤1.5n+1，2.5≤n×m2≤3.5，n≥2且为整数时，每取一个m1值，均有一个m2值与值相匹配，使打印头11在打印出打印层0212与打印层0221的过程中，打印头11的挤出喷口与载物面141之间的垂向间距相等;所以n只能取值为2，m1与m2的取值范围为2≤m1≤2.5，1.5≤m2≤1.75。本例的成型丝可采用ABS、PLA等材料制成的成型丝进行打印三维物体。打印头、三维打印机及其打印方法第二实施例作为对本发明打印头、三维打印机及其打印方法第二实施例的说明，以下仅对与上述打印头、三维打印机及其打印方法第一实施例的不同之处进行说明。参见图11，调整单元还具有环形固定座218及弹性密封圈217，环形固定座218与调整盘214的厚度相等，环形固定座218内腔的前端形成有第一内肩台2181。当环形固定座218、弹性密封圈217、调整盘214及定位盘216组装一起时，调整盘214与第一内肩台2181的内孔间隙配合，弹性密封圈217的上下两个表面压于定位盘216的下表面与第一内肩台2181的上表面之间，弹性密封圈217的内孔套接于调整盘214的周向外，弹性密封圈217的弹性恢复力迫使其紧箍在调整盘214的周向上。在打印过程中，弹性密封圈可以有效地确保熔融状态的成型材料不会从定位盘216与调整盘214之间的间隙渗出而滴落在三维物体的打印面上，降低三维物体的打印精度。打印头、三维打印机及其打印方法第三实施例作为对本发明打印头、三维打印机及其打印方法第三实施例的说明，以下仅对与上述打印头、三维打印机及其打印方法第一实施例的不同之处进行说明。参见图12，液化器311还具有输料管3111，输料管3111外包裹有保温材料层，输料管3111用于连通液化器311的加热熔融腔与设于定位盘316上的第一挤出孔。从而有效地缩小打印头凸出于安装座下方部分的横向尺寸，便于进行打印。打印头、三维打印机及其打印方法第四实施例作为对本发明打印头、三维打印机及其打印方法第四实施例的说明，以下仅对与上述打印头、三维打印机及其打印方法第一实施例的不同之处进行说明。本例三维打印机的液化器采用如CN103847101A与CN104626556A所描述的螺杆挤出加热腔结构，其使用粉末或颗粒状成型材料进行打印，略去送料滚轮及送料电机。粉末状或颗粒状的成型材料的供料装置可安装在安装座上，或安装在机架上并通过导管向打印头供给成型材料。参见图13至图16，液化器由桶状结构的加热腔体4111及与加热腔体4111共轴布置的挤出螺杆4112构成，采用圆筒415替代传动轴，圆筒415的下端口与调整盘414的外周密封固定连接，调整盘414与液化器出口端端壁416间通过旋转轴410而共轴布置，旋转轴410与出口端端壁416之间为密封固定连接，调整盘414的上表面内凹形成凹孔4142，旋转轴410与凹孔4142间隙配合。参见图15，出口端端壁416上设有第二挤出孔4161、4162、4163及4164，四个第二挤出孔环绕旋转轴410的轴向均布在出口端端壁416上。参见图16，调整盘414上设有一个第一挤出孔4141。在打印过程中，调整电机驱动圆筒415带动调整盘414绕旋转410的轴线旋转，实现第一挤出孔4141与其中的一个第二挤出孔进行对接。在打印过程中，第二挤出孔4161、4162、4163及4164均与加热熔融腔连通，加热熔融腔内的熔融状态成型材料将温度传递给位于第二挤出孔内的成型材料，有效防止其由于温度的降低而冷却凝固，第一挤出孔4141在打印过程中一直处于打印状态，在调整挤出孔的有效孔径时，无需中断打印过程，提高打印效率。打印头、三维打印机及其打印方法第五实施例作为对本发明打印头、三维打印机及其打印方法第五实施例的说明，以下仅对与上述打印头、三维打印机及其打印方法第一实施例的不同之处进行说明。参见图17，液化器的加热腔体511内的加热腔5510为一倒T字型结构，采用圆筒515替代传动轴，圆筒515的下端口与调整盘514的外周密封固定连接，调整盘514与液化器出口端端壁516间通过旋转轴510而共轴布置，旋转轴510与出口端端壁516之间为密封固定连接，调整盘514的上表面内凹形成凹孔5142，旋转轴510与凹孔5142间隙配合。出口端端壁516上设有四个第二挤出孔，四个第二挤出孔环绕旋转轴510的轴向均布在出口端端壁516上。调整盘514上设有一个第一挤出孔5141。打印头、三维打印机及其打印方法第六实施例作为对本发明打印头、三维打印机及其打印方法第六实施例的说明，以下仅对与上述打印头、三维打印机及其打印方法第一实施例的不同之处进行说明。参见17，圆筒515与打印头的基体固定连接，通过调整电机驱动液化器的加热腔体511绕旋转轴510旋转。由于在调整第二挤出孔的工作状态的过程中，调整盘保持位置不变，即第一挤出孔4141位置保持不变，便于调整完之后对打印头进行定位。由于从挤出孔中挤出丝状熔融状态成型材料的横截面面积受限于挤出孔最小处的横截面积，所以本发明中的有效孔径是指第一挤出孔及第二挤出孔中最小处的横截面所折算成的孔径，第一挤出孔及第二挤出孔优选为圆柱型的孔，也可采用横截面为非圆形的挤出孔，例如正方形、长方形等。对于第二挤出孔的数量，选择为两个以上即可，具体数量需根据打印需要进行设置。对于一个挤出孔，从其挤出的丝状熔融状态成型材料的有效直径可于大于该挤出孔的有效孔径，也可以小于该挤出孔的有效孔径，例如，一个0.2毫米的挤出孔通常可以挤出0.1毫米至0.3毫米直径的丝状成型材料，所以挤出孔的有效孔径并不局限于挤出目标丝状成型材料的直径，但通常优选为二者相等。在上述第一实施例、第三实施例至第六实施例中，为了减少熔融状态成型材料残留在调整盘上挤出孔内，凝固堵塞该挤出孔，使用厚度为0.1毫米至0.5毫米进行制作调整盘。调整盘与出口端端壁优选采用导热性良好的导热材料制成，如金属材料。本发明中的第一打印部分与第二打印部分是指打印精度要求不同的两部分，并不局限于上述各实施例中的外表面层部分与填充部分。